深厚軟基超長大直徑鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究

1、深厚軟基超長大直徑鉆孔灌注樁承載性狀試驗研究魏棟梁1，楊昌正2,譚曉琦3(1. 重慶交通大學，重慶400074.云南省交通規(guī)劃設計研究院，云南 昆明650011；2.昆明市市政工程質量監(jiān)督站，云南 昆明 650011；3.云南省公路科學技術研究所，云南 昆明 650051)摘要：為了驗證設計所取的參數(shù)是否可靠，采用單樁靜載試驗方法研究深厚軟基超長大直徑鉆孔灌注樁的承載性狀，對不同荷載作用下樁的沉降量、承載性能、荷載的傳遞規(guī)律和樁側摩阻力分布規(guī)律進行了分析。同時，基于試驗所測得的數(shù)據，結合大理洱海地區(qū)具體土層結構、性質特點，用有限元法對鉆孔灌注樁受力性狀進行仿真模擬。研究結果表明, 樁承載能力完

2、全能滿足設計荷載要求，并且尚有較大的富裕承載能力。研究成果對該地區(qū)及類似地質條件下超長大直徑樁的設計提供有益的參考。關鍵詞：橋梁樁基；深厚軟基；超長大直徑樁；有限元法；樁土相互作用；靜載試驗；承載性狀Test andResearch on the Load Bearing Propertiesof the Super-long and large-diameterBored-Pile in Deep Soft BasementWei DongLiang1 ,Yang ChangZheng2,Tan XiaoQi3(1.Chongqing Jiaotong University , Chongq

3、ing 400074.Yunnan Provincial Plan Design&Research Institute of Communications, Kunming Yunnan 650011;2. Municipal Engineering Qualitysupervisorydepartment of Kunming, KunmingYunnan 650011;3.Highway Science and Technology Research Institute of YunnanProvince, KunmingYunnan 650051)Abstract ：To verify

4、the reliability of the designparameters,using single-pile-static-load-test to study the load bearing properties of the super-long and large-diameter bored-pile in deep soft basement.The study items include: the subsidingquantity of the pile,load-bearing-capabilities of the pile,the load transferring

5、 regular of the pile,and the distributionregular of the side friction under different load action. Based on the test results, the paper simulates the load bearing propertieson deep soft soilby finite elements in Dali-er-seaarea. It indicates that thecarrying capacity of the pile isgreater than the d

6、esign load.Theresearch results are beneficial to the design of the super-long and large-diameterbored-pile under the special oranalogous geologicalconditions in Dali-er-sea area.Key words ：piles of bridge；deep soft basement；super-long and large-diameter pile；finite element method；the interaction bet

7、ween single pile and soil；static load test；load bearing properties0引言橋梁工程中，超長大直徑鉆孔灌注樁雖已得到了廣泛的應用，但其承載機理、樁土之間的荷載傳遞機理到目前為止還不是很清楚 。在實際工程中，往往是根據基于中短樁研究基礎上建立起來的規(guī)范進行超長樁的設計，還存在諸多不合理之處，使得樁設計較為保守，其承載力與實測結果有較大出入。因此, 研究深厚軟基中超長大直徑樁的承載性狀，對在軟基及類似地質條件下樁的設計具有重要的參考價值。本文通過對大理興盛大橋單樁靜載試驗來研究超長大受力性狀和荷載傳遞特性征，并采用有限元法來對樁的承載性

8、狀作進一步分析。直徑樁在深厚軟基中的1 工程概況大理興盛大橋位于云南大理市東北部西洱河上游，是連接大理下關城區(qū)西洱河兩岸的重要橋梁，也是大理州、市乃至滇西路網的重要組成部分，具有分流過境交通和城市交通雙重功能。大橋為總長235米的五跨上承式連拱橋，跨徑組合為30+55+65+55+30米。橋型布置見圖1。圖1 橋型布置圖Fig.1The array chartof bridge主橋上部結構采用預應力體外索平衡水平推力的上承式五跨連拱橋,主橋下部結構為鉆孔灌注樁群樁樁基礎，全橋共196根，樁徑分別為1.5m和1.2m兩種，樁長80.690m，樁身混凝土等級為C25。橋址地質主要為填筑土、第四系湖

9、積層淤泥、粘土、亞粘土、亞砂土、細砂及礫砂、圓礫砂土。樁基按規(guī)范設計為純摩擦樁，并對樁周土進行了壓漿處理。根據工程設計的需要，將P2墩29#工程樁作為試驗樁，采用靜載方法進行試驗。試樁主要參數(shù)見表1 , 地質資料見表2。表1 試樁主要參數(shù)表Tab.1 Main parameters of piles for test橋墩試樁編號混凝土等級設計直徑/m設計樁長/m設計容許荷載值/kN預估加載值/kN備 注P229#C251.587.3685113700已壓漿表2 樁位各土層主要物理力學指標Tab.2 Main physical-mechanical index of soil layers 土層

10、編號土層 名稱層 厚 (m)土的重度(kN/m3)壓縮模量E(MPa)內聚力標 準值C (kPa)內摩擦力標準值（）容許承載力o(kPa)鉆孔樁周土極限摩阻力i(kPa)1填筑土01.0417/7020 2淤泥1.0432.1415.51.751535012 3粘土32.1443.7416.52.52346030 3_2礫砂43.7445.651910151520072 4亞砂土45.6547.5419830914060 5_1粘土47.5451.7417.56.540712538 6礫砂51.7458.741910201721065 8亞粘土58.7461.3419635714025 9細砂

11、61.3463.5419925814030 10粘土63.5467.6418.5740716032 11亞砂土67.6471.4419.583511.517050 11_1細砂71.4473.3419.58251715040 11亞砂土73.3487.3019.583511.517050 2 工程樁試驗情況樁的靜載試驗是確定單樁軸向承載力、了解樁的受力性狀最為可靠的方法。具體做法是按一定要求將荷載分級加到樁上，在樁下沉未達到某規(guī)定的相對穩(wěn)定標準前，每級荷載維持不變；當達到穩(wěn)定標準時，繼續(xù)加下級荷載；當達到規(guī)定的終止試驗條件時停止加載；然后再分級卸載至零。2.1 靜載試驗情況試驗樁P229#預估

12、極限承載力為設計容許承載力的2倍，即26850=13700KN，每級加載為預估極限承載力的1/10，每級卸載為預估極限承載力的1/5。由于現(xiàn)場試驗的目的是驗證樁基設計的安全性，而非破壞性試驗，試樁加載未到極限荷載，只加載到預估極限承載力13700KN后便停止加載，并開始卸載。設計容許承載力6850kN對應樁的沉降量為5.26mm，預估極限承載力13700kN對應樁的沉降量為27.09mm。試驗殘余沉降量為10.84mm，樁身彈性壓縮量為16.25mm。實測PS曲線、Slogt曲線如圖2、圖3所示。圖2PS曲線Fig.2The P-S curve of the tested pile圖3Slog

13、t曲線Fig.3The S-logt curve of the tested pile2.2 靜載試驗結果分析試驗結果整理、分析是否正確，對樁在靜荷載作用下性狀的了解起著十分重要的作用。曲線特征從圖2可知，P-S曲線呈典型的緩變型，當加載至預估極限承載力后，沒有出現(xiàn)向下折段，且無第二拐點。在設計容許承載力至預估極限承載力之間，P-S曲線呈線性變化，說明此期間樁處于良好的彈性工作狀況，樁自身的彈性壓縮量較大，占整個沉降量的60%；從圖3可知，Slogt曲線斜率非常平穩(wěn)，無陡增或向下曲折現(xiàn)象。P-S、Slogt的曲線特征均表明試驗樁沒有達到極限狀態(tài)。樁身軸力的傳遞規(guī)律各級荷載作用下，試驗樁各斷面軸

14、力值沿深度分布規(guī)律、隨加載變化關系如圖4、圖5所示。圖4樁身軸力隨深度分布圖圖5各斷面軸力隨荷載變化曲線Fig.3Distribution chart of the axial loads of the pile along the depthFig.5the axial loads curve oftransects adopting to test load(1)由圖可知，樁身軸力隨深度分布曲線呈上凸狀，樁身頂部軸力衰減速率很快，在58.74m后呈線性比例衰減至零；荷載越小，樁身軸力傳遞速率越快。(2)當荷載較小時，樁頂荷載完全被各土層產生的樁側摩阻力抵消，樁底反力為零。當荷載增大到822

15、0kN時，下層土層產生剪切變形，樁端反力出現(xiàn)，但很小，僅占總荷載的0.047%(也可能是在加載過程中某些因素擾動影響產生的)。當加載至預估極限荷載后，樁端反力均保持為不變，說明隨著荷載增大，沿樁身深度側摩阻力逐漸產生作用并承擔全部荷載，該樁為純摩擦樁。(3)軸力在地面以下12m范圍內衰減很快，12m以下樁身軸力變化逐漸緩慢，說明樁頂原填筑土和淤泥在壓漿后，已形成摩阻力很大的土體，并且隨著荷載的增大，其摩阻力得到充分的發(fā)揮。樁側摩阻力的分布特性深厚軟基中，橋梁樁基一般均設計為純摩擦樁，故通過試驗得出樁側摩阻力實測值、了解其分布特性是十分關鍵的。斷面摩阻力隨荷載變化曲線、摩阻力沿深度分布規(guī)律如圖6

16、、7所示。圖6摩阻力隨荷載變化曲線 圖7各截面間土層的平均摩阻力分布圖Fig.6 Friction curves adopting to test loadFig.7 Distribution chart of theaverage friction （1）從圖6可看出，各截面間土層的平均摩阻力分布曲線呈“R”型趨勢。隨著樁頂荷載的增加，各土層樁側摩阻力逐漸變大，但在小范圍內有下降波動，樁與土層間產生少許相對滑移。特別是樁頂部分的土體，當荷載增大到一定程度后，出現(xiàn)了較大塑性變形，摩擦阻力隨之降低，并產生相對滑移。當繼續(xù)加大荷載后，下層土體摩阻力發(fā)揮作用，樁頂相對下沉量變小，樁頂周圍土體又能發(fā)揮

17、其承載潛力，樁側摩阻力隨著荷載的增大而增大。（2）圖7表明，樁側摩阻力有隨著樁頂荷載的增加而變大的趨勢，但摩阻承載力主要在地表以下60米范圍內。于地面以下約47m后，壓漿的樁周土實測極限摩阻力均比工程地質勘察報告中所提供的值小1.44倍，說明此范圍內的土體并沒有充分發(fā)揮其承載能力，也說明了該樁還有較大的富裕承承載能力。3極限承載力的確定由于現(xiàn)場試驗加載未到極限荷載，采用PS曲線拐點法、PS曲線坐標變換確定法和沉降速率等方法均無法判斷樁的極限承載能力，能否準確預測樁的極限承載力對結構的安全性和經濟性具有很大的影響。本次試驗較為保守地以樁頂總沉降量為40mm時對應的荷載為極限荷載，并采用有限元法和

18、雙曲線法綜合比較來確定樁的極限承載能力。有限元法在進行有限元分析時，樁周壓漿土體相關參數(shù)的確定，采用了反算的方法，即將參照設計鉆孔灌注樁幾何尺寸建模，以實測的數(shù)據試算不同壓漿土體的相關參數(shù)，使其得出的荷載-位移曲線與靜載試驗結果接近。圖8 樁土相互作用有限元模型Fig.8 The finite element model of the interaction between single pile and soil(1) 計算參數(shù)的選取土樁周土特性采用地勘資料所提供的參數(shù)。壓縮模量Es是室內土工試驗中，土在完全側限條件下的豎向附加壓應力與相應的應變增量之比值。它與有限元分析中材料彈塑性模型中彈

19、性階段對應彈性模量有相關性，但不能直接將壓縮模量作為彈性模量。參考相關資料后，本研究中采用E=1.5Es。樁樁身材料由水下混凝土制成，其受荷變形遠小于土體，在荷載作用下基本處于彈性工作狀態(tài)，故其材料定義為彈性材料。分析時依據設計考慮樁內鋼筋的影響，其彈性模量取值范圍為 2.81e4Mpa3.08e4MPa。壓漿體壓漿體的材料特性及滲透范圍按經驗值取。其材料特性為彈性材料，彈性模量取1.0e3MPa；壓漿滲透范圍為：樁周取0.3m，樁底取0.2m。樁土界面采用三維接觸面單元(targe170和conta173)(2)建模樁土共同作用分析建模時，對象為軸對稱，取其 1/4 建模分析。土體范圍：樁周

20、土取 20 倍的樁徑，樁端以下土體取一倍樁長。樁與土體模型均采用8節(jié)點等參實體單元即solid45單元。對稱面采用對稱約束，圓弧側面及模型底部施加固定約束。有限元模型如圖8所示。(3)計算結果分析采用有限元法計算出樁的極限荷載為17810kN。P-S曲線、13700kN級樁身軸力分布曲線和樁側摩分布曲線的計算與實測結果比較如圖911所示。圖9 P-S曲線Fig.9 the P-S curve從圖9可看出，計算值和靜載試驗得到的P-S曲線基本規(guī)律是一致的。由于有限元計算時并不考慮靜摩擦與動摩擦的區(qū)別，且有限元模型參數(shù)的選取不可能與工程實際情況完全相同，故計算值與實測值必然存在差別。用有限元法計算

21、得的P-S曲線要比靜載試驗得到的要陡，即在相同荷載作用下產生的沉降更大。特別是在開始階段，有限元法計算的沉降量明顯大于實測值。圖10 13700kN級荷載時樁身軸力分布曲線Fig.10 The axial loads distribution curves of the pile along the depthin 13700kN grade由圖10可知，計算的軸力傳遞速率要比實測的快，但其基本趨勢一致。實際工程中，樁表面并非理論上的光滑、圓形，而是凹凸不平，這樣勢必增加樁側摩阻力，從而使樁身軸力衰減較快。圖11 摩阻力分布曲線Fig.11 Distribution curves of the

22、 friction由圖11可看出，計算摩阻力與實測摩阻力基本趨勢一致，采用有限元法計算出的樁底極限荷摩阻力與實測的樁頂極限荷摩阻力大小較吻合。主要是壓漿后，樁周土體性性狀得到改善，使得樁周土體接近均質土，其極限摩阻力大小相等。通過比較，驗證了采用有限元法來分析樁承載性狀的可行性。在工程實踐中，用試驗及有限元法來綜合研究樁的工作性狀是合理、經濟而有效的。雙曲線法根據靜荷載試驗實測數(shù)據，采用由馬來西亞陳風克（Chin FunKee，1972年）提出，假定樁的PS曲線為雙曲線和我國學者陳宗岳按最小曲率半徑導出的Pu計算式外推出樁的極限承載能力分別為14231.25kN和13478.75kN。容許承載

23、力乘以安全系數(shù)法先以回彈曲線割線斜率法確定樁的容許承載力，再乘以安全系數(shù)來確定樁的極限荷載。自P一S曲線原點作一斜線平行于卸載回彈曲線的割線，斜線與P一S曲線的交點所對應的荷載為容許荷載。據此法可求得本次試驗樁的極限承載能力為28756=17512kN。極限荷載的確定上述各種方法計算出樁的極限荷載如表3所示。表3 不同計算方法的極限荷載值Tab.3 The limit value of thedifferentcalculation methods 方 法有限元法雙曲線法容許承載力乘安全系數(shù)法極限荷載(kN)1781014231.2513478.7517512按雙曲線最小曲率半徑導出的Pu值顯然與試驗實測值不符，而有限元法與容許承載力乘安全系數(shù)法所計算得的結果較為吻合。故建議此次靜載試驗樁的極限承載力為17810kN，其值為預估極限荷載的